Fotoelektrisk effekt och ljusets partikelkaraktär
Å 1905 föreslog Albert Einstein (1879-1955) att ljuset skulle beskrivas som energikvanter som beter sig som partiklar. En foton är en partikel av elektromagnetisk strålning som har noll massa och bär på ett energikvant. Energin hos ljusfotoner kvantifieras enligt ekvationen \(E = h \nu\). Under många år har ljuset beskrivits enbart med hjälp av vågbegrepp, och forskare som är tränade i klassisk fysik tyckte att ljusets våg-partikel-dualitet var en svår idé att acceptera. Ett nyckelbegrepp som Einstein förklarade med hjälp av ljusets partikelkaraktär kallades den fotoelektriska effekten.
Den fotoelektriska effekten är ett fenomen som uppstår när ljus som lyser på en metallyta orsakar utstötning av elektroner från metallen. Man observerade att endast vissa ljusfrekvenser kan orsaka utstötning av elektroner. Om frekvensen av det infallande ljuset var för låg (t.ex. rött ljus), så kastades inga elektroner ut, även om ljusets intensitet var mycket hög eller om det skenade på ytan under lång tid. Om ljusets frekvens var högre (t.ex. grönt ljus) kunde elektroner skjutas ut från metallytan, även om intensiteten var mycket låg eller om ljuset bara lyste under en kort tid. Denna minimifrekvens som krävs för att orsaka elektronutstötning kallas för tröskelfrekvens.
Den klassiska fysiken kunde inte förklara den fotoelektriska effekten. Om den klassiska fysiken tillämpades på denna situation skulle elektronen i metallen så småningom kunna samla tillräckligt med energi för att skjutas ut från ytan även om det inkommande ljuset var av låg frekvens. Einstein använde ljusets partikelteori för att förklara den fotoelektriska effekten enligt figuren nedan.
Lågfrekvent ljus (rött) kan inte orsaka utstötning av elektroner från metallytan. Vid eller över tröskelfrekvensen (grönt) kastas elektroner ut. Inkommande ljus med ännu högre frekvens (blått) orsakar utstötning av samma antal elektroner, men med större hastighet.
Konsultera ekvationen \(E = h \nu\). \(E\) är den minsta energi som krävs för att metallens elektron ska skjutas ut. Om det inkommande ljusets frekvens, \(\nu\), ligger under tröskelfrekvensen kommer det aldrig att finnas tillräckligt med energi för att få elektroner att skjutas ut. Om frekvensen är lika med eller högre än tröskelfrekvensen kommer elektroner att skjutas ut. När frekvensen ökar över tröskelvärdet rör sig de utskjutna elektronerna helt enkelt snabbare. En ökning av intensiteten hos inkommande ljus som ligger över tröskelfrekvensen gör att antalet elektroner som skjuts ut ökar, men de rör sig inte snabbare. Den fotoelektriska effekten tillämpas i anordningar som kallas fotoelektriska celler, som ofta återfinns i vardagliga föremål (t.ex. en miniräknare) som använder ljusets energi för att generera elektricitet.
Fotoelektriska celler omvandlar ljusenergi till elektrisk energi, som driver den här miniräknaren.